Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Портал Хиггса
Оказывается, что взаимодействие через обмен бозонами Хиггса используется во многих физических теориях, выходящих за рамки Стандартной модели. В них имеется целый букет новых частиц, образующих так называемый «скрытый сектор», и все они не очень охотно взаимодействуют с известными нам частицами. Такое впечатление, что из всех известных фермионов и калибровочных бозонов самый общительный – бозон Хиггса, то есть он взаимодействует с новыми частицами чаще всех. Именно в этом смысле открытие бозона Хиггса является одновременно и завершением одного грандиозного проекта – создания Стандартной модели, и запуском следующего – поиска скрытых миров за рамками этой модели. Франк Вильчек и его сотрудник Брайан Патт окрестили эту возможность «Порталом Хиггса» между Стандартной моделью и скрытыми секторами материи.
Когда мы обсуждали поимку хиггсовского бозона в главе 9, я обратил внимание на распад этой частицы на два фотона, проходящий через промежуточную стадию – образование виртуальных частиц. Фактическая вероятность такого процесса зависит от всех различных частиц, которые могут появиться в этой петле, – то есть частиц, которые взаимодействуют как с Хиггсом, так и с фотонами. В самой Стандартной модели эту вероятность можно однозначно определить, зная массу бозона Хиггса. И если мы точно измерим скорость этого распада и обнаружим, что он протекает с большей вероятностью, чем мы считали, это послужит серьезным намеком на существование новых частиц, даже если мы не сможем увидеть их непосредственно. Данные, полученные на БАКе в 2011-м и начале 2012 года, содержат намеки на то, что рождалось больше фотонов, чем предсказывает Стандартная модель, хотя это различие не очень значительно. Но, безусловно, эти процессы нужно будет тщательно проанализировать, когда соберется больше данных.
Фейнмановская диаграмма, изображающая частицу темной материи, рассеивающейся на кварке с помощью обмена бозоном Хиггса.
В теории вимпов темная материя разбросана везде, она вокруг нас, даже там, где вы сейчас находитесь. Считается, что примерно одна частица темной материи приходится на объем пространства размером с чашку кофе. Но частицы движутся достаточно быстро – как правило, со скоростью сотни километров в секунду. В результате миллиарды вимпов пронизывают наше тело каждую секунду. Поскольку они с нами очень слабо взаимодействуют, мы их не замечаем. Но хотя эти взаимодействия малы, они не равны нулю. Вимп может врезаться в один из кварков, содержащихся внутри нашего тела в протонах и нейтронах, и обменяться с ним бозонами Хиггса. Физики Кэтрин Фриз и Кристофер Сэвидж подсчитали, что каждый год около десяти частиц темной материи взаимодействует с атомами среднестатистического человеческого тела. Последствия каждого отдельного взаимодействия пренебрежимо малы, так что не волнуйтесь – от темной материи у вас живот не заболит.
Но зато мы можем использовать этот вид взаимодействия, чтобы найти темную материю. И так же как на БАКе, важнейшей проблемой будет выделение сигнала на фоне шума. Действительно, частицы темной материи – не единственные, которые могут врезаться в ядра: радиоактивное излучение и космические лучи занимаются этим все время. Поэтому физики спускаются глубоко под землю – в шахты и специально построенные объекты и стараются защититься от этого фона. Они создали специальные детекторы, терпеливо поджидающие слабые сигналы, которые возникают при взаимодействии частиц темной материи с ядром. Наиболее популярны два типа детекторов – криогенный (где регистрируется тепло, выделяемое при столкновении гипотетических частиц темной материи с атомными ядрами в низкотемпературных кристаллах) и детектор на базе сжиженного благородного газа (где регистрируется свет, излученный при сцинтилляциях, возникающих при взаимодействиях частиц темной материи с жидким ксеноном или аргоном).
Стратегия поиска взаимодействий с частицами окружающей темной материи, при которой детекторы устанавливаются глубоко под землей, называется «методом прямого обнаружения». Это сегодня – передний край науки. В серии экспериментов некоторые из имевшихся моделей уже были забракованы. Зная массу бозона Хиггса, ученые сумеют связать предсказанные теоретические свойства вимпов со следами частиц, которые, возможно, увидят в этих экспериментах. При высочайшей чувствительности детекторов, к тому же все время быстро растущей, мы уже в течение ближайших пяти лет наверняка обнаружим темную материю. Однако очень может быть, что мы ее и не обнаружим – природа любит преподносить нам сюрпризы.
Не трудно догадаться, что если существует методика под названием «прямое обнаружение», должна быть и другая – «косвенное обнаружение». Идея ее заключается в том, чтобы подождать, пока вимпы из нашей или других галактик столкнутся друг с другом и аннигилируют. Среди частиц, рожденных в таком взаимодействии, будут гамма-лучи (фотоны высокой энергии), которые можно зарегистрировать с помощью спутниковых обсерваторий. В настоящее время гамма-лучевой космический телескоп НАСА «Ферми» сканирует небо в поисках гамма-лучей и накапливает базы данных разных высокоэнергетических явлений. И опять встает серьезная проблема выделения сигнала из шума. Астрономы упорно трудятся над тем, чтобы понять, какого рода гамма-лучевые события могут происходить при аннигиляции частиц темной материи, надеясь, что сумеют их выделить из множества обычных астрофизических процессов, в которых тоже возникает этот вид излучения. Кроме того, вероятно, темная материя способна аннигилировать с образованием бозона Хиггса (вместо того, чтобы превратиться в другие частицы, пройдя промежуточную стадию образования бозона Хиггса). Этот сценарий, естественно, уже окрестили «Хиггс в космосе».
Наконец, мы можем представить себе создание темной материи прямо здесь, дома – на БАКе. Если бозон Хиггса взаимодействует с темной материей, а ее частицы не слишком тяжелы, одним из способов распада бозона Хиггса будет распад непосредственно на вимпы. Мы, конечно, не увидим вимпов, так как они слабо взаимодействуют со всем, и любой родившийся вимп тотчас улетит из детектора, так же как это делает нейтрино, но мы можем просуммировать все наблюдаемые распады бозона Хиггса и сравнить их с ожидаемым количеством. Если мы получим меньше распадов, чем ожидалось, это будет означать, что время от времени бозон Хиггса распадается на невидимые частицы. Выяснение природы этих частиц, конечно, займет некоторое время.
Неестественная вселенная
Темная материя представляет собой веский аргумент в пользу того, что нам нужно строить физику за рамками Стандартной модели. В этом вопросе обнаруживается самое главное расхождение между теорией и экспериментом, а физики привыкли иметь дело именно с такими противоречиями. Есть также и другого рода аргументы в пользу того, что новая физика необходима – сама Стандартная модель требует доработки.
Чтобы определить какую-либо теорию вроде Стандартной модели, мы должны привести список полей, которые она описывает (поля кварков, лептонов, калибровочных бозонов, поле Хиггса), и набор различных чисел – параметров теории, включающих массы частиц, а также величины всех взаимодействия. Например, величина электромагнитного взаимодействия определяется числом, называемым «постоянной тонкой структуры», это знаменитая физическая константа, примерно равная 1/137. В начале XX века некоторые физики пытались придумать хитрые нумерологические формулы, объясняющие, почему она имеет именно такое значение. В наши дни мы просто принимаем это как данность и считаем ее частью Стандартной модели, хотя еще есть надежда, что более совершенная теория фундаментальных взаимодействий позволит нам вычислить ее из первых принципов.
Хотя все эти параметры мы, в принципе, можем пойти и измерить, физики до сих пор верят, что у физических характеристик есть «естественные» значения, поскольку измеряемые нами значения, как учит нас квантовая теория поля, представляют собой сложные комбинации различных процессов. По сути, чтобы получить окончательный ответ, нужно просуммировать вклады от разных видов виртуальных частиц. Когда мы измеряем заряд электрона по рассеянию фотона на нем, в процессе участвует не только электрон. Этот электрон – колебание поля, на которое накладываются квантовые флуктуации всех других полей, они складываются, и перед нами предстает то, что мы воспринимаем как «физический электрон». Каждая конфигурация виртуальных частиц вносит определенный вклад в окончательный ответ, и иногда их сумма бывает довольно большой.
Поэтому было бы большой неожиданностью, если бы наблюдаемое значение некоторой величины оказалось гораздо меньше, чем вклады отдельных процессов, участвующих в ее образовании. Это означало бы, что большой положительный вклад сложился с большим отрицательным вкладом, и в результате возник крошечный конечный результат. Такое, конечно, можно себе представить, но это не то, что хотелось бы получить. Если измеренный параметр оказывается гораздо меньше, чем мы ожидали, мы объявляем, что существует «проблема тонкой настройки» параметра, и говорим, что теория «неестественная». В конечном счете, конечно, не мы, а природа решит, что естественно, а что – нет. Но если теория оказывается «неестественной», это, возможно, первый намек на то, что нужно подумать над новой теорией.
